CN113917379B - 一种高信噪比的磁共振成像k空间轨迹测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高信噪比的磁共振成像k空间轨迹测量方法，包括以下步骤：规划成像扫描序列的k空间填充方式；设置射频通道的射频脉冲的参数、梯度通道的梯度脉冲的参数，设置各次实验的射频脉冲、梯度脉冲和采样事件的发生顺序；将梯度通道分别映射到x、y、z三个方向物理梯度通道，分别顺序实施各次实验，计算三个物理梯度通道对应的k空间轨迹；估算成像扫描序列的k空间轨迹。本发明获取的相位信息来自高信噪比的数据源，更稳定可靠，适用于高分辨率成像，对Δs没有要求，参数设置约束少。

Description

一种高信噪比的磁共振成像k空间轨迹测量方法
技术领域
本发明涉及磁共振成像技术领域，特别是指一种高信噪比的磁共振成像k空间轨迹测量方法。
背景技术
磁共振成像(MRI)作为一种无辐射、非侵入的成像手段，软组织对比度高，成像参数众多，在临床前和临床研究中得到了广泛应用。MRI原始数据是在“k空间”中按照设计的轨迹或坐标采集的复数数据集，对k空间轨迹的精确测量是实现高保真、无伪影图像重建的前提。MRI***中多种因素，比如伴随磁场、涡流和电子线路器件引起的时间延迟等，会导致实验中实际的k空间轨迹与MRI脉冲序列设定的理论轨迹之间存在偏差。因此，MRI扫描仪通过各种方法来缓解这个问题，例如，梯度主动屏蔽和梯度预加重以最小化梯度切换期间的涡流效应。然而，残余涡流依然存在，仍是笛卡尔快速成像(EPI、Rare等)、非笛卡尔成像(径向UTE、螺旋、Rosette等轨迹)、相位对比成像(Flow，MR血管成像)技术中的主要问题。
k空间采样轨迹的全部测量是不切实际且耗时的，更有效的方法是三个物理梯度通道分别施加测试梯度脉冲，测量测试梯度脉冲随时间的变化过程，用三者的线性组合估算实验中的采样轨迹，从而改善图像重建质量。
目前，一种流行的方法是使用自编码梯度校准测试梯度波形，这种任意k空间轨迹校准技术需要额外的自编码梯度且采集时间长。另一种常用的方法是利用偏离梯度中心的小体积水模(点样品)来校准梯度脉冲形状，利用FID连续数据点之间的相位变化表征测试梯度的k空间轨迹。这种方法需要使用额外的测试水模，手动改变水模位置，操作繁琐且相对耗时。这种方法进一步发展为基于选层的轨迹测量方法，也就是在选层梯度和射频脉冲配合下，激发成像对象中一个偏离梯度磁场中心的薄层面体素替代小样品，改进后的方法易于实现且快速，得到了广泛应用。但其本质上还是基于FID信号相位的方法，测量准确性容易受到T2 *衰减和梯度散相等原因导致的信噪比低的影响，尤其在k空间的***，当信噪比低时，其相位信息极为不准确，由相位表征的k空间轨迹就不准确，这种方法仅适用于低强度或短持续时间梯度磁场的测量或表征。更为严重的问题是，这种方法采集的FID信号的幅度受到所激发层面的fourier变换的调制，采集FID信号时间长时会出现幅度接近或等于零的信号。比如，MRI中通常使用SINC射频脉冲配合选层梯度激发指定的层面，所激发的层面沿着测试梯度方向是矩形的，测试轨迹过程获得的FID信号S(k(t))幅度受到SINC函数的调制，其公式表示如下：
Figure SMS_1
其中，k(t)是测试的轨迹，Δs是为测试轨迹所激发的层面厚度，d是层面偏离梯度磁场中心的距离。易知，当k(t)×Δs接近整数时，S(k(t))将接近零，等于整数时就是零，实际当k(t)×Δs大于
Figure SMS_2
时，S(k(t))已经相对于最大值显著减小，这种情况下即使多次累加，也不能有效提高信噪比，因而无法保证获取的相位信息是准确的，尤其是在Δs设置较大的情况下，SINC函数的调制，S(k(t))幅值更容易过零点，难以获得可靠的k空间轨迹。
MRI图像的分辨率Δx与k(t)的最大值kmax(t)关系如下：
Figure SMS_3
高分率成像时，Δx较小，当Δx≤Δs时，k(t)的最大值kmax(t)与Δs的乘积大于1甚至2等，根据测试轨迹过程获得的FID信号S(k(t))的公式，采集的FID信号S(k(t))会多次过零点，因而，基于切片的轨迹测量方法不适用于高分率成像的应用场景。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种高信噪比的磁共振成像k空间轨迹测量方法，测量得到的轨迹用于估算成像扫描序列采样的k空间坐标，基于估算的k空间坐标重建图像，可以消除或减弱梯度***的不完美引入的伪影。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种高信噪比的磁共振成像k空间轨迹测量方法，包括以下步骤：
步骤1、规划成像扫描序列的k空间填充方式；
步骤2、设置射频通道F1的射频脉冲的参数、梯度通道Gs的梯度脉冲的参数，设置各次实验的射频脉冲、梯度脉冲和采样事件的发生顺序；
步骤3、将梯度通道Gs映射到x向物理梯度通道Gx，顺序实施各次实验，计算x向物理梯度通道Gx对应的k空间轨迹kx(t)；
将梯度通道Gs通道映射到y向物理梯度通道Gy，顺序实施各次实验，计算y向物理梯度通道Gy对应的k空间轨迹ky(t)；
将梯度通道Gs通道映射到z向物理梯度通道Gz，顺序实施各次实验，计算z向物理梯度通道Gz对应的k空间轨迹kz(t)；
步骤4、根据k空间轨迹kx(t)、k空间轨迹ky(t)、k空间轨迹kz(t)和成像扫描序列的k空间填充方式，估算成像扫描序列的k空间轨迹k(t)。
如上所述的步骤1包括以下步骤：设置检查区域FOV、测试轨迹所需要激发的层厚Δs、层面偏中心距离d、采样谱宽SW和采样点数NP；结合成像扫描序列，确定测试梯度脉冲的形状并计算测试梯度脉冲强度值Grlevel。
如上所述的步骤2中射频通道F1的射频脉冲参数包括激发脉冲形状、激发脉冲宽度P1，同时根据激发脉冲的属性，计算出激发脉冲的频域宽度BW；
梯度脉冲依次包括选层梯度脉冲、选层回聚梯度脉冲和测试梯度脉冲，梯度脉冲的参数包括：选层梯度脉冲平台时间tg、选层梯度脉冲强度Gslevel、选层回聚梯度脉冲强度G0和测试梯度脉冲持续时间tm。
如上所述的选层梯度脉冲平台时间tg的值等于激发脉冲宽度P1，
测试梯度脉冲持续时间tm的值不小于
Figure SMS_4
选层梯度脉冲强度
Figure SMS_5
γ为成像核素的磁旋比，
根据选层回聚梯度脉冲的面积等于选层梯度脉冲面积的一半，计算出选层回聚梯度脉冲强度G0。
如上所述的步骤2中设置第n次实验的射频脉冲、梯度脉冲和采样事件的发生顺序包括以下步骤：
步骤2.3.1、设置第n次实验的前半段实验的射频脉冲、梯度脉冲和采样事件的发生顺序：梯度通道Gs的选层梯度脉冲与射频通道F1的激发脉冲中心对齐，紧邻选层梯度脉冲施加选层回聚梯度脉冲，之后施加测试梯度脉冲，测试梯度脉冲强度设置为测试梯度脉冲强度值Grlevel，γ为成像核素的磁旋比，射频通道上与采样事件对应的采样窗的起始时间与梯度通道Gs的测试梯度脉冲的开始时间对齐，在施加梯度通道Gs的测试梯度脉冲的同时采集FID信号作为FID信号FID1(n)，
步骤2.3.2、设置第n次实验的后半段实验的射频脉冲、梯度脉冲和采样事件的发生顺序：梯度通道Gs的选层梯度脉冲与射频通道F1的激发脉冲中心对齐，紧邻选层梯度脉冲施加选层回聚梯度脉冲，之后施加测试梯度脉冲，测试梯度脉冲强度设为零，射频通道上与采样事件对应的采样窗的起始时间与梯度通道Gs的测试梯度脉冲的开始时间对齐，在施加梯度通道Gs的测试梯度脉冲的同时采集FID信号作为FID信号FID2(n)。
以计算出的选层回聚梯度脉冲强度G0为参考，调节不同次实验的梯度通道Gs的选层回聚梯度脉冲强度均不同，同次实验的前半段实验和后半段实验的选层回聚梯度脉冲强度相同。
如上所述的实验的总次数M大于1小于等于5，1≤n≤M，梯度通道Gs通道映射完成并顺序实施各次实验后，第n次实验获得的两个FID信号记为FID1(n)和FID信号FID2(n)，
FID信号FID1(n)的相位减去FID信号FID2(n)的相位，获得的数据记为第n差分相位diffphase(n)；
根据低信噪比阈值，提取FID信号FID1(1)的各个低信噪比分布区间，对FID信号FID1(1)的每一个低信噪比分布区间，搜索与同一低信噪比分布区间对应的数据信噪比最高的FID信号FID1(i)作为待替换FID信号，2≤i≤M，第一差分相位diffphase(1)中对应于每个低信噪比分布区间的数据替换为同一低信噪比分布区间对应搜索到的待替换FID信号对应的差分相位中与同一低信噪比分布区间对应的数据，替换后的第一差分相位diffphase(1)进行相位解缠，解缠后记为解缠差分相位diffphase，
k空间轨迹ks(t)计算公式如下：
Figure SMS_6
ks(t)∈{kx(t)，ky(t)，kz(t)}。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明计算k轨迹所使用的数据源信噪比高，获得的相位信息更准确，结果更稳定、可靠，可用于高分辨率成像的场景；
(2)本发明应用于高分辨率MRI时，可高效避免测试梯度轨迹时，原始FID数据受到激发层面fourier变换的调制，导致的部分数据点信噪比低，甚至为零，不能获取准确相位的情况；
(3)本发明对测试轨迹所选择的层面厚度Δs没有要求，可适当增大，有利于获得高信噪比的数据源。
(4)本发明每个梯度通道只需要单次或多次调节选层回聚梯度脉冲强度，简单易行，可以作为预扫描序列，装载于MRI***，测量、估算成像扫描序列真实的k空间轨迹，补偿硬件***的不完美性。
附图说明
图1为三维径向采集UTE脉冲序列的射频通道F1和层面方向梯度通道Gs的脉冲序列图；
图2为三维径向采集UTE轨迹测量脉冲序列的射频通道F1、读出梯度通道Gr、层面方向梯度通道Gs和相位编码梯度通道Gp的脉冲序列图；
图3为实施例1获得的FID数据图；
图4为实施例1获得的x向物理梯度通道Gx对应的k空间轨迹kx(t)；
图5为实施例1图像重建后获得的图像。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图2所示，本实施例中，成像扫描序列采用三维径向采集UTE脉冲序列，成像扫描序列包括射频通道F1的射频脉冲和采样事件，读出梯度通道Gr、层面方向梯度通道Gs和相位编码梯度通道Gp的梯度脉冲，配合成像扫描序列，本发明的磁共振成像k空间轨迹测量方法脉冲序列如图1所示。在磁共振成像***控制台装载图1和图2所示的脉冲序列进行UTE成像。
一种高信噪比的磁共振成像k空间轨迹测量方法，包括以下步骤：
步骤1、规划成像扫描序列的k空间填充方式，本实施例中成像扫描序列为三维径向采集UTE脉冲序列，成像扫描序列不限于三维径向采集UTE脉冲序列，设置检查区域FOV(Field of View)、测试轨迹所需要激发的层厚Δs、层面偏中心距离d、采样谱宽SW和采样点数NP，结合成像扫描序列，确定测试梯度脉冲的形状并计算测试梯度脉冲强度值Grlevel；本实施例中，测试梯度脉冲强度值Grlevel为
Figure SMS_7
γ为成像核素的磁旋比。
步骤2、设置射频通道F1的射频脉冲的参数、梯度通道Gs的梯度脉冲的参数，设置各次实验的射频脉冲、梯度脉冲和采样事件的发生顺序。
步骤2.1、设置射频通道F1的射频脉冲的参数，射频脉冲的参数具体包括：激发脉冲形状和激发脉冲宽度P1，根据射频脉冲的属性参数和激发脉冲宽度P1，计算出激发脉冲的频域宽度BW；本实施例中，激发脉冲设为SINC激发脉冲；
步骤2.2、设置梯度通道Gs的梯度脉冲的参数，梯度脉冲依次包括选层梯度脉冲、选层回聚梯度脉冲和测试梯度脉冲，梯度脉冲的参数具体包括：选层梯度脉冲平台时间tg、选层梯度脉冲强度Gslevel、选层回聚梯度脉冲强度G0和测试梯度脉冲持续时间tm；
其中，选层梯度脉冲平台时间tg的值等于激发脉冲宽度P1，测试梯度脉冲持续时间tm的值不小于
Figure SMS_8
根据公式：
Figure SMS_9
计算出选层梯度脉冲的强度Gslevel，根据选层回聚梯度脉冲的面积等于选层梯度脉冲面积的一半，计算出选层回聚梯度强度G0；
步骤2.3、设置第n次实验的射频脉冲、梯度脉冲和采样事件的发生顺序。
步骤2.3.1、设置第n次实验的前半段实验的射频脉冲、梯度脉冲和采样事件的发生顺序：梯度通道Gs的选层梯度脉冲与射频通道F1的激发脉冲中心对齐，紧邻选层梯度脉冲施加选层回聚梯度脉冲，之后施加测试梯度脉冲，测试梯度脉冲强度设为测试梯度脉冲强度值Grlevel，射频通道上与采样事件对应的采样窗的起始时间与梯度通道Gs的测试梯度脉冲的开始时间对齐，在施加梯度通道Gs的测试梯度脉冲的同时采集FID信号作为FID信号FID1(n)。
步骤2.3.2、设置第n次实验的后半段实验的射频脉冲、梯度脉冲和采样事件的发生顺序：梯度通道Gs的选层梯度脉冲与射频通道F1的激发脉冲中心对齐，紧邻选层梯度脉冲施加选层回聚梯度脉冲，之后施加测试梯度脉冲，测试梯度脉冲强度设为零，射频通道上与采样事件对应的采样窗的起始时间与梯度通道Gs的测试梯度脉冲的开始时间对齐，在施加梯度通道Gs的测试梯度脉冲的同时采集FID信号作为FID信号FID2(n)。
以计算出的选层回聚梯度脉冲强度G0为参考，调节不同次实验的梯度通道Gs的选层回聚梯度脉冲强度均不同，同次实验的前半段实验和后半段实验的选层回聚梯度脉冲强度相同。
步骤3、将梯度通道Gs映射到x向物理梯度通道Gx，顺序实施各次实验，计算x向物理梯度通道Gx对应的k空间轨迹kx(t)；
将梯度通道Gs通道映射到y向物理梯度通道Gy，顺序实施各次实验，计算y向物理梯度通道Gy对应的k空间轨迹ky(t)；
将梯度通道Gs通道映射到z向物理梯度通道Gz，顺序实施各次实验，计算z向物理梯度通道Gz对应的k空间轨迹kz(t)；
梯度通道Gs映射到不同轴向方向的物理梯度通道之后，进行多次试验(实验的总次数M大于1小于等于5，1≤n≤M)，每次实验的前半段实验中，在施加梯度通道Gs的测试梯度脉冲的同时采集FID信号作为FID信号FID1(n)；后半段实验中，在施加梯度通道Gs的测试梯度脉冲的同时采集FID信号作为FID信号FID2(n)；
FID信号FID1(n)的相位减去FID信号FID2(n)的相位，获得的数据记为第n差分相位diffphase(n)；
根据低信噪比阈值，提取FID信号FID1(1)的各个低信噪比分布区间，对FID信号FID1(1)的每一个低信噪比分布区间，搜索与同一低信噪比分布区间对应的数据信噪比最高的FID信号FID1(i)作为待替换FID信号，2≤i≤M，第一差分相位diffphase(1)中对应于每个低信噪比分布区间的数据替换为同一低信噪比分布区间对应搜索到的待替换FID信号对应的差分相位中与同一低信噪比分布区间对应的数据，替换后的第一差分相位diffphase(1)进行相位解缠，解缠后记为解缠差分相位diffphase。
在本实施例中，因为结合三维径向采集UTE脉冲序列进行实验(本发明不限于只应用于三维径向采集UTE脉冲序列)，因此，本实施例做两次实验就能测到一个坐标轴方向准确的k轨迹，因此本实施例中，每个物理梯度方向实验总次数M为2。第一次实验，调节梯度通道Gs的选层回聚梯度脉冲强度，设为G1；第二次实验，调节梯度通道Gs的选层回聚梯度脉冲强度，设为G2，G2不等于G1。
本实施例的第一次实验获得FID信号FID1(1)和FID信号FID2(1)；
本实施例的第二次实验获得FID信号FID1(2)和FID信号FID2(2)；
FID信号FID1(1)的相位减去FID信号FID2(1)的相位，获得的数据记为第一差分相位diffphase(1)；
FID信号FID1(2)的相位减去FID信号FID2(2)的相位，获得的数据记为第二差分相位diffphase(2)；
根据低信噪比阈值，提取FID信号FID1(1)的低信噪比分布区间[t1 t2]，本实施例中，低信噪比分布区间只有一个，但实际情况中可能出现多个低信噪比分布区间的情况，搜索与同一低信噪比分布区间对应的数据信噪比最高的FID信号FID1(i)作为待替换FID信号，本实施例中待替换FID信号即为FID信号FID1(2)，第一差分相位diffphase(1)中对应于低信噪比分布区间[t1 t2]的数据替换为低信噪比分布区间[t1 t2]对应搜索到的待替换FID信号(本实施例中为FID信号FID1(2))对应的差分相位(本实施例为第二差分相位diffphase(2))中与低信噪比分布区间[t1 t2]对应的数据，替换后的数据的第一差分相位diffphase(1)进行相位解缠，解缠后记为解缠差分相位diffphase。
k空间轨迹ks(t)计算公式如下：
Figure SMS_10
本实施例中，G1＝G0×(1-10％)，G2＝G0×(1+10％)。G0为步骤2.2计算获得的梯度通道Gs的选层回聚梯度脉冲强度，ks(t)∈{kx(t)，ky(t)，kz(t)}。
实施三维径向采集UTE序列，获取k空间数据kdata；
步骤4、估算k空间轨迹,具体如下：
根据x向物理梯度通道Gx对应的k空间轨迹kx(t)、y向物理梯度通道Gy对应的k空间轨迹ky(t)、z向物理梯度通道Gz对应的k空间轨迹kz(t)和成像扫描序列的k空间填充方式，估算成像扫描序列的k空间轨迹kute(t)；
重建图像，具体如下：根据k空间数据kdata和k空间轨迹kute(t)，采用网格化的方法重建图像。本实施例中，获得的水模三维体积内的中心层面图像如图5所示。
需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种高信噪比的磁共振成像k空间轨迹测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、规划成像扫描序列的k空间填充方式；
步骤2、设置射频通道F1的射频脉冲的参数、梯度通道Gs的梯度脉冲的参数，设置各次实验的射频脉冲、梯度脉冲和采样事件的发生顺序；
步骤3、将梯度通道Gs映射到x向物理梯度通道Gx，顺序实施各次实验，计算x向物理梯度通道Gx对应的k空间轨迹kx(t)；
将梯度通道Gs通道映射到y向物理梯度通道Gy，顺序实施各次实验，计算y向物理梯度通道Gy对应的k空间轨迹ky(t)；
将梯度通道Gs通道映射到z向物理梯度通道Gz，顺序实施各次实验，计算z向物理梯度通道Gz对应的k空间轨迹kz(t)；
步骤4、根据k空间轨迹kx(t)、k空间轨迹ky(t)、k空间轨迹kz(t)和成像扫描序列的k空间填充方式，估算成像扫描序列的k空间轨迹k(t)，所述的步骤1包括以下步骤：设置检查区域FOV、测试轨迹所需要激发的层厚Δs、层面偏中心距离d、采样谱宽SW和采样点数NP；结合成像扫描序列，确定测试梯度脉冲的形状并计算测试梯度脉冲强度值Grlevel，
所述的步骤2中射频通道F1的射频脉冲参数包括激发脉冲形状和激发脉冲宽度P1，同时根据激发脉冲的属性，计算出激发脉冲的频域宽度BW；梯度脉冲依次包括选层梯度脉冲、选层回聚梯度脉冲和测试梯度脉冲，梯度脉冲的参数包括：选层梯度脉冲平台时间tg、选层梯度脉冲强度Gslevel、选层回聚梯度脉冲强度G0和测试梯度脉冲持续时间tm，
所述的选层梯度脉冲平台时间tg的值等于激发脉冲宽度P1，测试梯度脉冲持续时间tm的值不小于
Figure FDA0004242407520000011
选层梯度脉冲强度/>
Figure FDA0004242407520000012
γ为成像核素的磁旋比，
根据选层回聚梯度脉冲的面积等于选层梯度脉冲面积的一半，计算出选层回聚梯度脉冲强度G0，
所述的步骤2中设置第n次实验的射频脉冲、梯度脉冲和采样事件的发生顺序包括以下步骤：
步骤2.3.1、设置第n次实验的前半段实验的射频脉冲、梯度脉冲和采样事件的发生顺序：梯度通道Gs的选层梯度脉冲与射频通道F1的激发脉冲中心对齐，紧邻选层梯度脉冲施加选层回聚梯度脉冲，之后施加测试梯度脉冲，测试梯度脉冲强度设置为测试梯度脉冲强度值Grlevel，γ为成像核素的磁旋比，射频通道上与采样事件对应的采样窗的起始时间与梯度通道Gs的测试梯度脉冲的开始时间对齐，在施加梯度通道Gs的测试梯度脉冲的同时采集FID信号作为FID信号FID1(n)，
步骤2.3.2、设置第n次实验的后半段实验的射频脉冲、梯度脉冲和采样事件的发生顺序：梯度通道Gs的选层梯度脉冲与射频通道F1的激发脉冲中心对齐，紧邻选层梯度脉冲施加选层回聚梯度脉冲，之后施加测试梯度脉冲，测试梯度脉冲强度设为零，射频通道上与采样事件对应的采样窗的起始时间与梯度通道Gs的测试梯度脉冲的开始时间对齐，在施加梯度通道Gs的测试梯度脉冲的同时采集FID信号作为FID信号FID2(n)，
不同次实验的梯度通道Gs的选层回聚梯度脉冲强度均不同，同次实验的前半段实验和后半段实验的选层回聚梯度脉冲强度相同，
所述的实验的总次数M大于1小于等于5，1≤n≤M，梯度通道Gs通道映射完成并顺序实施各次实验后，第n次实验获得的两个FID信号记为FID1(n)和FID信号FID2(n)，
FID信号FID1(n)的相位减去FID信号FID2(n)的相位，获得的数据记为第n差分相位diffphase(n)；
根据低信噪比阈值，提取FID信号FID1(1)的各个低信噪比分布区间，对FID信号FID1(1)的每一个低信噪比分布区间，搜索与同一低信噪比分布区间对应的数据信噪比最高的FID信号FID1(i)作为待替换FID信号，2≤i≤M，第一差分相位diffphase(1)中对应于每个低信噪比分布区间的数据替换为同一低信噪比分布区间对应搜索到的待替换FID信号对应的差分相位中与同一低信噪比分布区间对应的数据，替换后的第一差分相位diffphase(1)进行相位解缠，解缠后记为解缠差分相位diffphase，
k空间轨迹ks(t)计算公式如下：
Figure FDA0004242407520000021
ks(t)∈{kx(t)，ky(t)，kz(t)}。
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